JP4735439B2 - 永久磁石式同期電動機の初期磁極位置推定装置 - Google Patents

Description

本発明は永久磁石式同期電動機の初期磁極位置推定装置に関するものであり、ノイズが発生しても、または、磁気飽和によるインダクタンスの変化が少ないモータであっても、正確に初期磁極位置を推定することができるように工夫したものである。

永久磁石を界磁源とする永久磁石式同期電動機（以下「ＰＭモータ」と称する）でベクトル制御を行う場合には、ロータに張り付けた磁石の位置（以下「磁極位置」と称する）に応じた電流制御が必要となる。そのため、ＰＭモータのベクトル制御では、ロータの磁極位置を検出することが必要となる。

そこで、現状のＰＭモータのベクトル制御装置では、絶対値エンコーダをモータに取り付ける場合が多い。
また、絶対値エンコーダを取り付けない場合には、ロータの停止中に、高調波電流や高調波電圧を用いて初期磁極位置推定を行い、モータ回転中はオブザーバや誘起電圧を利用して磁極位置を推定して運転する方式が取られている。

初期磁極位置の推定は、ＰＭモータの固定子巻線のインダクタンスがロータの磁極位置によって変化することを利用して行われる。つまり、磁気飽和によってインダクタンスが一番小さくなる電気角位相を検出している。具体的には、計測用の電圧発生位相の電気角位相を変えながらインダクタンスを測定し、インダクタンスが一番小さくなる電気角位相を制御軸（ｄ軸）とする。

特開２００１−７８４８６

ところで、ＰＭモータの設計によっては磁気飽和によるインダクタンスの変化が少ないものがある。また、専用の計測器ではなく、通常使用されているインバータ自身を用いて計測している。そのため、製品コストの問題により、電流検出器として精度の高いものを使用できず、使用環境によっては外来ノイズによる誤検出をする可能性もある。しかし、このような条件においても、精度よくインダクタンスを測定することが必要になる。

インダクタンスの測定には、パルス状の電圧を出力してその電流応答によりインダクタンスを測定する方法や、パルス状の電流指令に対して電流制御を行いそのときの出力電圧指令の大きさによってインダクタンスを測定する方法が知られている。

しかし、従来のような最小インダクタンスの位相を検出する方法では、図９に示すように、インダクタンスＬの変化は磁気飽和だけでなく、突極性によるｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑのインダクタンスの差もあり、電気角の０〜３６０°間に１回脈動する成分と、２回脈動する成分とが存在する。

なお、図９（ａ）において、横軸は電気角位相θ、縦軸は判定検出値Ｉｄｈであり、図９（ｂ）において、横軸は電気角位相θ、縦軸はインダクタンスＬである。
なお、判定検出値Ｉｄｈは、本願の実施例で用いているものと同じ意味合いのものである。この判定検出値Ｉｄｈを簡単に説明すると、パルス状の電流指令をベクトル制御装置に入力したときに、ＰＭモータに流れるｄ軸電流の値を示すものである。また、インダクタンスＬは、判定検出値を逆比例演算したものとなる。

図９の場合には、判定検出値Ｉｄｈが最大ピークとなる位相、即ちインダクタンスＬが最小ピークとなる位相が明確であるため、インダクタンスＬが最小ピークとなる磁極位置θａを初期磁極位置として正しく推定することができる。

上述したようにインダクタンスの変化要因は複数存在するため、磁気飽和による位相推定方式を適用するには、磁極位置のインダクタンスと対極にある位置のインダクタンスにある程度の差がないと、正確な計測はできない。特に、磁気飽和の少ないモータでは、ノイズの影響により正しい磁極位置を推定できない場合がある。

例えば図１０（ａ）（ｂ）に示すように、ノイズが発生した場合には、ノイズにより判定検出値Ｉｄｈが大きくなった電気角位相を、初期磁極位置として誤って推定してしまう。

また、計測電流が適正でない場合については磁気飽和が発生しないため、同じように推定できない場合がある。仮に、１８０°誤った磁極位置推定値を使用して運転すると、トルク指令と逆方向のトルクが発生し、逆方向に回転する異常が発生し危険である。

本発明は、上記従来技術に鑑み、ＰＭモータの初期磁極位置を正確に推定することができる、永久磁石式同期電動機の初期磁極位置推定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
値が初期値から順次段階的に増加していく電気角位相を出力する位相発生部と、
指令出力期間と休止期間とが交互に設定されており、指令出力期間ではｄ軸電流指令を出力する電流指令設定部と、
三相の電圧指令を基に永久磁石式電動機を駆動するインバータと、
前記インバータから永久磁石式同期電動機に供給される三相の電流の電流検出値を、前記電気角位相を用いて三相／二相変換してｄ軸電流検出値を出力する三相／二相変換部と、
前記ｄ軸電流指令と前記ｄ軸電流検出値との偏差を基に、ｑ軸電圧指令及びｄ軸電圧指令を出力する電流制御部と、
前記電気角位相を用いて前記ｑ軸電圧指令及びｄ軸電圧指令を二相／三相変換して、前記インバータを駆動するための三相の電圧指令を求める二相／三相変換部と、
前記指令出力期間の終了時点から予め決めた電流検出期間が経過した時点での、前記ｄ軸電流検出値の値である判定検出値を取り込む判定検出値取り込み手段と、
値の異なる各電気角位相と、値の異なる各電気角位相にした時の各判定検出値とを対にして対照データとして記憶する蓄積部と、
前記対照データから、判定検出値が最大となる、即ちインダクタンスが最小となる第１の電気角位相を求めると共に、この第１の電気角位相のときの判定検出値を第１ピーク判定検出値とする第１の電気角位相検出部と、
前記対照データから、判定検出値が２番目に大きくなる、即ちインダクタンスが２番目に小さくなる第２の電気角位相を求めると共に、この第２の電気角位相のときの判定検出値を第２ピーク判定検出値とする第２の電気角位相検出部と、
第１ピーク判定検出値と第２ピーク判定検出値との差の絶対値が、予め決めた設定値よりも大きいときに、第１の電気角位相を初期磁極位置として出力する初期磁極位置出力手段と、
を有することを特徴とする。

また本発明の構成は、
値が初期値から順次段階的に増加していく電気角位相を出力する位相発生部と、
指令出力期間と休止期間とが交互に設定されており、指令出力期間ではｄ軸電流指令を出力する電流指令設定部と、
三相の電圧指令を基に永久磁石式電動機を駆動するインバータと、
前記インバータから永久磁石式同期電動機に供給される三相の電流の電流検出値を、前記電気角位相を用いて三相／二相変換してｄ軸電流検出値を出力する三相／二相変換部と、
前記ｄ軸電流指令と前記ｄ軸電流検出値との偏差を基に、ｑ軸電圧指令及びｄ軸電圧指令を出力する電流制御部と、
前記電気角位相を用いて前記ｑ軸電圧指令及びｄ軸電圧指令を二相／三相変換して、前記インバータを駆動するための三相の電圧指令を求める二相／三相変換部と、
前記指令出力期間の終了時点から予め決めた電流検出期間が経過した時点での、前記ｄ軸電流検出値の値である判定検出値を取り込む判定検出値取り込み手段と、
値の異なる各電気角位相と、値の異なる各電気角位相にした時の各判定検出値とを対にして対照データとして記憶する蓄積部と、
前記対照データから、判定検出値が最大となる、即ちインダクタンスが最小となる第１の電気角位相を求めると共に、この第１の電気角位相のときの判定検出値を第１ピーク判定検出値とする第１の電気角位相検出部と、
第１の電気角位相から１８０°位相がずれた電気角位相を第２の電気角位相とし、前記対照データを参照して第２の電気角位相のときの判定検出値を第２ピーク判定検出値とする第２の電気角位相検出部と、
第１ピーク判定検出値と第２ピーク判定検出値との差の絶対値が、予め決めた設定値よりも大きいときに、第１の電気角位相を初期磁極位置として出力する初期磁極位置出力手段と、
を有することを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記初期磁極位置出力手段は、
第１ピーク判定検出値と第２ピーク判定検出値との差の絶対値が、予め決めた設定値以下であるときには、前記電流指令設定部により設定するｄ軸電流指令の値を増加させ、値を増加させたｄ軸電流指令の下で得た第１ピーク判定検出値と第２ピーク判定検出値との差の絶対値が、予め決めた設定値よりも大きくなったら、このときの第１の電気角位相を初期磁極位置として出力することを特徴とする。

本発明では、電気角位相θ１でのインダクタンスと、この電気角位相θ１に対して対極の（または１８０°位相がずれた）電気角位置θ２でのインダクタンスとの差が十分に大きくなる場合に、電気角位相θ１を初期磁極位置として判定するため、外来ノイズが存在していても、インダクタンスの変化要因が複数存在していても、さらには、磁気飽和によるインダクタンスの変化が少ないＰＭモータであっても、正確に初期磁極位置を推定することができる。
このように正確な磁極位置が推定できるため、トルク指令と逆のトルクが発生して逆方向に回転する異常の発生を防止できる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る、永久磁石式同期電動機の磁極位置推定装置を示す。
ここで、本発明の説明に先立ち、ベクトル制御を利用してＰＭモータをインバータ駆動する制御装置を図１１を参照して説明する。

図１１に示すようにインバータ１からＰＭモータ２に等価三相電流（または等価三相電電圧）を供給することによりＰＭモータ２が回転する。速度検出器１０（エンコーダ）は、ＰＭモータ２の回転子と共に回転してパルス信号Ｐを出力する。位相検出部１１は、パルス信号Ｐを基に、ＰＭモータ２の回転子位置（位相）即ち磁極位置を示す位相検出値θを求め、速度検出部１２は、パルス信号Ｐを基に、ＰＭモータ２の回転子速度を示す速度検出値ωｒを求める。角速度検出部１３は、ＰＭモータ２の極数ｐと速度検出値ωｒとから角速度検出値ωを求める。

電流検出部３、４は、ｕ相及びｗ相の電流検出値Ｉｕ、Ｉｗを求める。三相／二相変換部５は、電流検出値Ｉｕ、Ｉｗからｖ相の電流検出値Ｉｖを求め、更に三相の電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを三相／二相変換し、位相検出値θを用いて回転座標系のｑ軸電流検出値Ｉｑ及びｄ軸電流検出値Ｉｄを求める。

トルク制御部６は、トルク指令Ｔ＊が入力されると速度検出値ωｒを用いて、回転座標系のｄ軸電流指令Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ＊を求める。

電流制御部７は、回転座標系のｑ軸電流指令Ｉｑ＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ＊と、ｑ軸電流検出値Ｉｑ及びｄ軸電流検出値Ｉｄとの偏差（Ｉｑ＊−Ｉｑ、Ｉｄ＊−Ｉｄ）を比例・積分演算子且つ角速度ωを用いることにより、回転座標系のｑ軸電圧指令Ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を求める。

二相／三相変換部８は、位相検出値θを用いて回転座標系のｑ軸電圧指令Ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を座標変換して、静止座標系の３層電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求める。

ＰＷＭ制御部９は、３相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に応じてＰＷＭ制御をし、インバータ１は、電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を基に制御され、等価三相電力をＰＭモータ２に供給し、ＰＭモータ２が回転する。

［初期磁極位置推定動作の説明］
次に、図１を参照しつつ、本発明の実施例１に係る永久磁石式同期電動機の磁極位置推定装置による初期磁極位置推定動作を、構成と共に説明する。この初期磁極位置を推定する動作を行う時には、ＰＭモータ２のロータが回転しないようブレーキ等で固定する。

初期磁極位置の推定をするためには、位相計測制御部１００と、電流指令設定部２００と、偏差演算部２０１を用いる。また、トルク制御部６からはｑ軸電流指令Ｉｑ＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ＊は出力されない。

位相計測制御部１００は、図２に示すような、機能ブロックを有している。
この位相計測制御部１００の３６０°位相発生部１０２は、計測制御部１０１により制御されて、まず、電気角位相θの値を初期値である０°に設定する。値が０°に設定された電気角位相θは、電流指令設定部２００，三相／二相変換部５及び二相／三相変換部８に送られる。また電気角位相θは蓄積部１０３にも転送される。

位相計測制御部１００のｄ軸電流指令設定部１０４は、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊の値を予め設定した初期値に設定して出力する（図５のステップＳ１）。初期値に設定されたｄ軸電流指令Ｉｄ＊は、電流指令設定部２００に送られる。

電流指令設定部２００は、すべての期間においてｑ軸電流指令Ｉｑ＊の値を零にしたまま（つまりｑ軸電流指令Ｉｑ＊は出力せずに）、図３（ａ）に示すように、
（１）休止期間ではｄ軸電流指令Ｉｄ＊を出力せず、
（２）指令出力期間では、ｄ軸電流指令設定部１０４にて設定された値となっているｄ軸電流指令Ｉｄ＊を出力する。
なお、休止期間と指令出力期間は交互に設定している。また、休止期間と指令期間の長さは予め設定しており、例えば、休止期間は２．５〜３．０ｍｓに設定し、指令期間は７．０〜１０ｍｓに設定してある。

偏差演算部２０１は、電流指令設定部２００から送られてくるｄ軸電流指令Ｉｄ＊と、三相／二相変換部５から出力されてくるｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）との偏差（Ｉｄ＊−Ｉｄ（θ＝０°））を求めて出力する。なお、三相／二相変換部５から出力されてくるｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）についての説明は、後述する。

電流制御部７は、偏差（Ｉｄ＊−Ｉｄ（θ＝０°））を比例・積分演算をして回転座標系のｑ軸電圧指令Ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を求める。二相／三相変換部８は、電気角位相θ（＝０°）を用いて回転座標系のｑ軸電圧指令Ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を座標変換して、静止座標系の三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を求める。

ＰＷＭ制御部９は、電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に応じてＰＷＭ制御をし、インバータ１は、電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に応じて位相調整をして、ＰＷＭ制御及び位相調整がされた等価三相電力がＰＭモータ２に供給される。

電流検出部３，４はｕ相及びｗ相の電流検出値Ｉｕ，Ｉｗを求める。
三相／二相変換部５は、電流検出値Ｉｕ，Ｉｗからｖ相の電流検出値Ｉｖを求め、更に三相の電流検出値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを三相／二相変換し、電気角位相θ（＝０°）を用いて、電気角位相θが０°のときの回転座標系のｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）を求める。

このｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）は、偏差演算部２０１と、位相計測制御部１００に送られる。偏差演算部２０１では、前述したように、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）との偏差演算を行う。

ｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）は、図３（ｂ）に示すように、指令出力期間ではｄ軸電流指令Ｉｄ＊に応じた一定の値となり、休止期間では、その値が漸減する。この休止期間におけるｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ）の減少割合は、ＰＭモータ２のリアクタンスの値（この値は電気角位相θの値によって異なってくる）によって決定される。

ｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）が入力される位相計測制御部１００では、ゲートコントロール電流サンプルタイミング制御部１０５の制御により、スイッチング手段１０６が、指令出力期間の終了時点から、予め決めた電流検出期間Ｔ２が経過した時点で瞬時的に投入される。このため、スイッチング手段１０６が投入された時点でのｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）の値である判定検出値Ｉｄｈを取り込む（図３（ｂ）参照）。
この判定検出値Ｉｄｈは、蓄積部１０３に送られる。

このため蓄積部１０３では、電気角位相θ＝０°と、θ＝０°とした場合における判定検出値Ｉｄｈ（θ＝０°）とを対にして記憶する（図５のステップＳ２）。

なお、ゲートコントロール電流サンプルタイミング制御部１０５は、図３（ａ）に示すタイミングでＰＷＭ制御部９から電圧指令を出力させるために、ゲートコントロール指令ＧＥＮをＰＷＭ制御部９に送っている。

次に、位相計測制御部１００の３６０°位相発生部１０２は、計測制御部１０１により制御されて、電気角位相θの値を１°に設定する。値が１°に設定された電気角位相θは、電流指令設定部２００，三相／二相変換部５及び二相／三相変換部８に送られる。また、値を１°に設定された電気角位相θは蓄積部１０３にも転送される。

このように電気角位相θを１°に設定したら、位相計測制御部１００では、ゲートコントロール電流サンプルタイミング制御部１０５とスイッチング手段１０６が、電気角位相θが０°の時と同じ動作をして、θ＝１°としたときの判定検出値Ｉｄｈ（θ＝１°）を取り込む。このため、蓄積部１０３には、電気角位相θ＝１°と、θ＝１°とした場合における判定検出値Ｉｄｈ（θ＝１°）とが対にして記憶される（図５のステップＳ２）。

以降は、計測制御部１０１の制御により、３６０°位相発生部１０２により設定する電気角位相θの値を１°づつ順次段階的に増加していき、各電気角位相毎に上述したのと同様な動作を繰り返す。
これにより蓄積部１０３には、各電気角位相（θ＝０°〜３５９°）と、各電気角位相とした場合における判定検出値Ｉｄｈ（θ＝０°）〜Ｉｄｈ（θ＝３５９°）とを対にした対照データが蓄積される（図５のステップＳ２）。

蓄積部１０３に蓄積された、各電気角位相（θ＝０°〜３５９°）と、各電気角位相とした場合における判定検出値Ｉｄｈ（θ＝０°）〜Ｉｄｈ（θ＝３５９°）とを対にした対照データは、例えば、図４（ａ）に示すようなものとなる。
ＰＭモータ２のインダクタンスは、判定検出値Ｉｄｈを逆比例演算したものである。即ち、インダクタンスＬ∝（１／Ｉｄｈ）の関係がある。したがって、インダクタンスＬと電気角位相θとの関係は、図４（ｂ）のようになる。

位相計測制御部１００の第１の電気角位相検出部１０７は、蓄積部１０３から、例えば図４（ａ）に示すような電気角位相θと判定検出値Ｉｄｈとの関係を対応させた対照データを受け取り、図４（ｂ）に示すような、電気角位相θとインダクタンスＬとの関係を示す関係データを作成する。
そして、電気角位相検出部１０７は、図４（ａ）（ｂ）に示すデータから、インダクタンスＬが最も最小となる電気角位相θ１と、この電気角位相θ１のときの判定検出値Ｉｄｈの値である第１ピーク判定検出値Ｉｄｈ１を求める（図５のステップＳ３）。

位相計測制御部１００の第２の電気角位相検出部１０８は、蓄積部１０３から、例えば図４（ａ）に示すような電気角位相θと判定検出値Ｉｄｈとの関係を対応させた対照データを受け取り、図４（ｂ）に示すような、電気角位相θとインダクタンスＬとの関係を示す関係データを作成する。
そして、電気角位相検出部１０８は、図４（ａ）（ｂ）に示すデータから、インダクタンスＬが、次に最小となる（２番目に最小となる）電気角位相θ２と、この電気角位相θ２のときの判定検出値Ｉｄｈの値である第２ピーク判定検出値Ｉｄｈ２を求める（図５のステップＳ４）。

計測差検出・判定部１０９は、第１ピーク判定検出値Ｉｄｈ１と第２ピーク判定検出値Ｉｄｈ２との差の絶対値である判定検出値差Ｉｄｈ３を求め（図５のステップＳ４）、この判定検出値差Ｉｄｈ３が、予め決めた設定値αよりも大きいか否か判定する（図５のステップＳ５）。

判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値αよりも大きいときには（図５のステップＳ６）、計測差検出・判定部１０９は、スイッチング手段１１０を投入し、電気角位相θ１を初期磁極位置として出力する（図５のステップＳ７）。

一方、判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値α以下であるときには（図５のステップＳ６）、計測差検出・判定部１０９は、スイッチング手段１１０を開放したままとし、電気角位相θ１は出力しない。
この場合には、計測差検出・判定部１０９は、計測制御部１０１に対して再計測指令を出力すると共に、ｄ軸電流指令設定部１０４に対してｄ軸電流指令の値を増加補正する指令を出力する（図５のステップＳ８）。

このように、判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値α以下であるときには、ｄ軸電流指令設定部１０４は、初回のｄ軸電流指令の値（初期値）に、予め決めた電流指令値の値を加えた値としたｄ軸電流指令Ｉｄ＊を出力する。

そして、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊の値が増加した状態で、再度、上述した動作をする。
つまり、３６０°位相発生部１０２にて発生する電気角位相θの値を０°から１°づづ順次増加しつつ、各電気角位相θにおける判定検出値Ｉｄｈ（θ）を求め、各電気角位相（θ＝０°〜３５９°）と、各電気角位相とした場合における判定検出値Ｉｄｈ（θ＝０°）〜Ｉｄｈ（θ＝３５９°）とを対にした対照データを作成する。
更に、電気角位相検出部１０７，１０８にてピーク判定検出値Ｉｄｈ１，Ｉｄｈ２を求め、判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値αよりも大きくなっていたら、計測差検出・判定部１０９は、スイッチング手段１１０を投入し、このときの電気角位相θ１を初期磁極位置として出力する。

なお、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊の値を１回だけ増加させて上記処理をしても、判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値α以下になった場合には、前回のｄ軸電流指令の値（初期値に対して１回増加補正した値）に、予め決めた電流指令値の値を更に加えた値としたｄ軸電流指令Ｉｄ＊を出力して、上記動作を繰り返す。

そして、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊の値を増加させて上記処理を行う一連の動作を繰り返していけば、いずれは判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値αよりも大きくなるので、そのときには、計測差検出・判定部１０９は、スイッチング手段１１０を投入し、そのときの電気角位相θ１を初期磁極位置として出力する。

このように実施例１では、インダクタンスＬが最小となる電気角位相θ１でのピーク判定検出値Ｉｄｈ１と、インダクタンスＬが次に最小となる（２番目に最小となる）電気角位相θ２でのピーク判定検出値Ｉｄｈ２との差が十分に大きい場合、換言すると、電気角位相θ１でのインダクタンスと、この電気角位相θ１に対して対極にある電気角位置θ２でのインダクタンスとの差が十分に大きくなる場合に、電気角位相θ１を初期磁極位置として推定する。

このように、電気角位相θ１でのインダクタンスと、この電気角位相θ１に対して対極にある電気角位置θ２でのインダクタンスとの差が十分に大きくなる場合に、電気角位相θ１を初期磁極位置として判定するため、外来ノイズが存在していても、インダクタンスの変化要因が複数存在していても、さらには、磁気飽和によるインダクタンスの変化が少ないＰＭモータであっても、正確に初期磁極位置を推定することができる。
このように正確な磁極位置が推定できるため、トルク指令と逆のトルクが発生して逆方向に回転する異常の発生を防止できる。

次に、本発明の実施例２に係る、永久磁石式同期電動機の磁極位置推定装置を説明する。実施例２では、図１に示す位相計測制御部１００の代わりに、図６に示す位相計測制御部３００を用いる。

ここで、実施例２の説明に先立ち、ベクトル制御を利用してＰＭモータをインバータ駆動する制御装置を図１１を参照して説明する。

図１１に示すようにインバータ１からＰＭモータ２に等価三相電流（または等価三相電電圧）を供給することによりＰＭモータ２が回転する。速度検出器１０（エンコーダ）は、ＰＭモータ２の回転子と共に回転してパルス信号Ｐを出力する。位相検出部１１は、パルス信号Ｐを基に、ＰＭモータ２の回転子位置（位相）即ち磁極位置を示す位相検出値θを求め、速度検出部１２は、パルス信号Ｐを基に、ＰＭモータ２の回転子速度を示す速度検出値ωｒを求める。角速度検出部１３は、ＰＭモータ２の極数ｐと速度検出値ωｒとから角速度検出値ωを求める。

電流検出部３、４は、ｕ相及びｗ相の電流検出値Ｉｕ、Ｉｗを求める。三相／二相変換部５は、電流検出値Ｉｕ、Ｉｗからｖ相の電流検出値Ｉｖを求め、更に三相の電流検出値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを三相／二相変換し、位相検出値θを用いて回転座標系のｑ軸電流検出値Ｉｑ及びｄ軸電流検出値Ｉｄを求める。

トルク制御部６は、トルク指令Ｔ＊が入力されると速度検出値ωｒを用いて、回転座標系のｄ軸電流指令Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ＊を求める。

電流制御部７は、回転座標系のｑ軸電流指令Ｉｑ＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ＊と、ｑ軸電流検出値Ｉｑ及びｄ軸電流検出値Ｉｄとの偏差（Ｉｑ＊−Ｉｑ、Ｉｄ＊−Ｉｄ）を比例・積分演算子且つ角速度ωを用いることにより、回転座標系のｑ軸電圧指令Ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を求める。

二相／三相変換部８は、位相検出値θを用いて回転座標系のｑ軸電圧指令Ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を座標変換して、静止座標系の３層電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求める。

ＰＷＭ制御部９は、３相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に応じてＰＷＭ制御をし、インバータ１は、電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を基に制御され、等価三相電力をＰＭモータ２に供給し、ＰＭモータ２が回転する。

［初期磁極位置推定動作の説明］
次に、図６を参照しつつ、本発明の実施例２に係る永久磁石式同期電動機の磁極位置推定装置による初期磁極位置推定動作を、構成と共に説明する。この初期磁極位置を推定する動作を行う時には、ＰＭモータ２のロータが回転しないようブレーキ等で固定する。

初期磁極位置の推定をするためには、位相計測制御部３００（図６参照）と、電流指令設定部２００と、偏差演算部２０１を用いる。また、トルク制御部６からはｑ軸電流指令Ｉｑ＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ＊は出力されない。

位相計測制御部３００は、図６に示すような、機能ブロックを有している。
この位相計測制御部３００の３６０°位相発生部３０２は、計測制御部３０１により制御されて、まず、電気角位相θの値を初期値である０°に設定する。値が０°に設定された電気角位相θは、電流指令設定部２００，三相／二相変換部５及び二相／三相変換部８に送られる。また電気角位相θは蓄積部３０３にも転送される。

位相計測制御部３００のｄ軸電流指令設定部３０４は、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊の値を予め設定した初期値に設定して出力する（図８のステップＳ１１）。初期値に設定されたｄ軸電流指令Ｉｄ＊は、電流指令設定部２００に送られる。

電流指令設定部２００は、すべての期間においてｑ軸電流指令Ｉｑ＊の値を零にしたまま（つまりｑ軸電流指令Ｉｑ＊は出力せずに）、図３（ａ）に示すように、
（１）休止期間ではｄ軸電流指令Ｉｄ＊を出力せず、
（２）指令出力期間では、ｄ軸電流指令設定部１０４にて設定された値となっているｄ軸電流指令Ｉｄ＊を出力する。
なお、休止期間と指令出力期間は交互に設定している。また、休止期間と指令期間の長さは予め設定しており、例えば、休止期間は２．５〜３．０ｍｓに設定し、指令期間は７．０〜１０ｍｓに設定してある。

偏差演算部２０１は、電流指令設定部２００から送られてくるｄ軸電流指令Ｉｄ＊と、三相／二相変換部５から出力されてくるｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）との偏差（Ｉｄ＊−Ｉｄ（θ＝０°））を求めて出力する。なお、三相／二相変換部５から出力されてくるｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）についての説明は、後述する。

電流制御部７は、偏差（Ｉｄ＊−Ｉｄ（θ＝０°））を比例・積分演算をして回転座標系のｑ軸電圧指令Ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を求める。二相／三相変換部８は、電気角位相θ（＝０°）を用いて回転座標系のｑ軸電圧指令Ｖｑ＊及びｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を座標変換して、静止座標系の三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を求める。

ＰＷＭ制御部９は、電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に応じてＰＷＭ制御をし、インバータ１は、電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に応じて位相調整をして、ＰＷＭ制御及び位相調整がされた等価三相電力がＰＭモータ２に供給される。

電流検出部３，４はｕ相及びｗ相の電流検出値Ｉｕ，Ｉｗを求める。
三相／二相変換部５は、電流検出値Ｉｕ，Ｉｗからｖ相の電流検出値Ｉｖを求め、更に三相の電流検出値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを三相／二相変換し、電気角位相θ（＝０°）を用いて、電気角位相θが０°のときの回転座標系のｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）を求める。

このｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）は、偏差演算部２０１と、位相計測制御部３００に送られる。偏差演算部２０１では、前述したように、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）との偏差演算を行う。

ｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）は、図３（ｂ）に示すように、指令出力期間ではｄ軸電流指令Ｉｄ＊に応じた一定の値となり、休止期間では、その値が漸減する。この休止期間におけるｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ）の減少割合は、ＰＭモータ２のリアクタンスの値（この値は電気角位相θの値によって異なってくる）によって決定される。

ｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）が入力される位相計測制御部３００では、ゲートコントロール電流サンプルタイミング制御部３０５の制御により、スイッチング手段３０６が、指令出力期間の終了時点から、予め決めた電流検出期間Ｔ２が経過した時点で瞬時的に投入される。このため、スイッチング手段３０６が投入された時点でのｄ軸電流検出値Ｉｄ（θ＝０°）の値である判定検出値Ｉｄｈを取り込む（図３（ｂ）参照）。
この判定検出値Ｉｄｈは、蓄積部３０３に送られる。

このため蓄積部３０３では、電気角位相θ＝０°と、θ＝０°とした場合における判定検出値Ｉｄｈ（θ＝０°）とを対にして記憶する（図８のステップＳ１２）。

なお、ゲートコントロール電流サンプルタイミング制御部３０５は、図３（ａ）に示すタイミングでＰＷＭ制御部９から電圧指令を出力させるために、ゲートコントロール指令ＧＥＮをＰＷＭ制御部９に送っている。

次に、位相計測制御部３００の３６０°位相発生部３０２は、計測制御部３０１により制御されて、電気角位相θの値を１°に設定する。値が１°に設定された電気角位相θは、電流指令設定部２００，三相／二相変換部５及び二相／三相変換部８に送られる。また、値を１°に設定された電気角位相θは蓄積部３０３にも転送される。

このように電気角位相θを１°に設定したら、位相計測制御部３００では、ゲートコントロール電流サンプルタイミング制御部３０５とスイッチング手段３０６が、電気角位相θが０°の時と同じ動作をして、θ＝１°としたときの判定検出値Ｉｄｈ（θ＝１°）を取り込む。このため、蓄積部３０３には、電気角位相θ＝１°と、θ＝１°とした場合における判定検出値Ｉｄｈ（θ＝１°）とが対にして記憶される（図８のステップＳ１２）。

以降は、計測制御部３０１の制御により、３６０°位相発生部３０２により設定する電気角位相θの値を１°づつ順次段階的に増加していき、各電気角位相毎に上述したのと同様な動作を繰り返す。
これにより蓄積部３０３には、各電気角位相（θ＝０°〜３５９°）と、各電気角位相とした場合における判定検出値Ｉｄｈ（θ＝０°）〜Ｉｄｈ（θ＝３５９°）とを対にした対照データが蓄積される（図８のステップＳ１２）。

蓄積部３０３に蓄積された、各電気角位相（θ＝０°〜３５９°）と、各電気角位相とした場合における判定検出値Ｉｄｈ（θ＝０°）〜Ｉｄｈ（θ＝３５９°）とを対にした対照データは、例えば、図７（ａ）に示すようなものとなる。
ＰＭモータ２のインダクタンスは、判定検出値Ｉｄｈを逆比例演算したものである。即ち、インダクタンスＬ∝（１／Ｉｄｈ）の関係がある。したがって、インダクタンスＬと電気角位相θとの関係は、図７（ｂ）のようになる。

位相計測制御部３００の第１の電気角位相検出部３０７は、蓄積部３０３から、例えば図７（ａ）に示すような電気角位相θと判定検出値Ｉｄｈとの関係を対応させた対照データを受け取り、図７（ｂ）に示すような、電気角位相θとインダクタンスＬとの関係を示す関係データを作成する。
そして、電気角位相検出部３０７は、図７（ａ）（ｂ）に示すデータから、インダクタンスＬが最も最小となる電気角位相θ１と、この電気角位相θ１のときの判定検出値Ｉｄｈの値である第１ピーク判定検出値Ｉｄｈ１を求める（図８のステップＳ１３）。

なお、この実施例２の例では、インダクタンスＬが２番目に最小となる電気角位相が不明確である。この点が、実施例１とは異なるところである。
そこで実施例２では、電気角位相検出部３０７により求めた、インダクタンスＬが最も最小となる電気角位相θ１に対して対極にある（θ１から１８０°位相がずれた位置にある）電気角位相θ２を、電気角位相算出部３１１により演算して求める。

具体的には、図８のステップＳ１４〜Ｓ１６に示すように、θ２＝θ１＋１８０°の演算をし（ステップＳ１４）、この演算をして得たθ２が３６０°以下であれば（ステップＳ１５）、ステップＳ１４にて演算したθ２をθ１の対極の電気角とする。
また、ステップＳ１４の演算をして得たθ２が３６０°を越える場合には（ステップＳ１５）、ステップＳ１６にて、θ２＝３６０°−θ２の演算をして、このステップＳ１６で演算して得たθ２をθ１の対極の電気角とする。

位相計測制御部３００の第２の電気角位相検出部３０８は、蓄積部３０３から、例えば図７（ａ）に示すような電気角位相θと判定検出値Ｉｄｈとの関係を対応させた対照データを受け取り、図７（ｂ）に示すような、電気角位相θとインダクタンスＬとの関係を示す関係データを作成する。
そして、電気角位相検出部３０８は、電気角位相算出部３１１にて演算した電気角位相θ２を取り込み、この電気角位相θ２のときの判定検出値Ｉｄｈの値を第２ピーク判定検出値Ｉｄｈ２として求める。
つまり電気角位相θ２のときには、図７（ａ）に示すように、判定検出値Ｉｄｈにピーク特性は存在しないが、電気角位相θ２のときに判定検出値Ｉｄｈが第２のピークになったとみなして、第２ピーク判定検出値Ｉｄｈ２を求めているのである。

計測差検出・判定部３０９は、第１ピーク判定検出値Ｉｄｈ１と第２ピーク判定検出値Ｉｄｈ２との差の絶対値である判定検出値差Ｉｄｈ３を求め（図８のステップＳ１８）、この判定検出値差Ｉｄｈ３が、予め決めた設定値αよりも大きいか否か判定する（図８のステップＳ１９）。

判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値αよりも大きいときには（図８のステップＳ１９）、計測差検出・判定部３０９は、スイッチング手段３１０を投入し、電気角位相θ１を初期磁極位置として出力する（図８のステップＳ２０）。

一方、判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値α以下であるときには（図８のステップＳ１９）、計測差検出・判定部３０９は、スイッチング手段３１０を開放したままとし、電気角位相θ１は出力しない。
この場合には、計測差検出・判定部３０９は、計測制御部３０１に対して再計測指令を出力すると共に、ｄ軸電流指令設定部３０４に対してｄ軸電流指令の値を増加補正する指令を出力する（図８のステップＳ２１）。

このように、判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値α以下であるときには、ｄ軸電流指令設定部３０４は、初回のｄ軸電流指令の値（初期値）に、予め決めた電流指令値の値を加えた値としたｄ軸電流指令Ｉｄ＊を出力する。

そして、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊の値が増加した状態で、再度、上述した動作をする。
つまり、３６０°位相発生部３０２にて発生する電気角位相θの値を０°から１°づづ順次増加しつつ、各電気角位相θにおける判定検出値Ｉｄｈ（θ）を求め、各電気角位相（θ＝０°〜３５９°）と、各電気角位相とした場合における判定検出値Ｉｄｈ（θ＝０°）〜Ｉｄｈ（θ＝３５９°）とを対にした対照データを作成する。
更に、電気角位相検出部３０７，３０８にてピーク判定検出値Ｉｄｈ１，Ｉｄｈ２を求め、判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値αよりも大きくなっていたら、計測差検出・判定部３０９は、スイッチング手段３１０を投入し、このときの電気角位相θ１を初期磁極位置として出力する。

なお、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊の値を１回だけ増加させて上記処理をしても、判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値α以下になった場合には、前回のｄ軸電流指令の値（初期値に対して１回増加補正した値）に、予め決めた電流指令値の値を更に加えた値としたｄ軸電流指令Ｉｄ＊を出力して、上記動作を繰り返す。

そして、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊の値を増加させて上記処理を行う一連の動作を繰り返していけば、いずれは判定検出値差Ｉｄｈ３が設定値αよりも大きくなるので、そのときには、計測差検出・判定部３０９は、スイッチング手段３１０を投入し、そのときの電気角位相θ１を初期磁極位置として出力する。

このように実施例２では、インダクタンスＬが最小となる電気角位相θ１でのピーク判定検出値Ｉｄｈ１と、電気角位相θ１から１８０°位相がずれた電気角位相θ２でのピーク判定検出値Ｉｄｈ２との差が十分に大きい場合、換言すると、電気角位相θ１でのインダクタンスと、この電気角位相θ１に対して対極にある電気角位置θ２でのインダクタンスとの差が十分に大きくなる場合に、電気角位相θ１を初期磁極位置として推定する。

このように、電気角位相θ１でのインダクタンスと、この電気角位相θ１に対して対極にある電気角位置θ２でのインダクタンスとの差が十分に大きくなる場合に、電気角位相θ１を初期磁極位置として判定するため、外来ノイズが存在していても、インダクタンスの変化要因が複数存在していても、さらには、磁気飽和によるインダクタンスの変化が少ないＰＭモータであっても、正確に初期磁極位置を推定することができる。
このように正確な磁極位置が推定できるため、トルク指令と逆のトルクが発生して逆方向に回転する異常の発生を防止できる。

しかも、電気角位相θ２のときに、判定検出値にピークが存在していなくても、正確に初期磁極位置の推定をすることができる。

本発明を適用したベクトル制御装置を示すブロック構成図。 本発明の実施例１において使用する位相計測制御部を示すブロック構成図。 実施例１における、ｄ軸電流指令及びｄ軸電流検出値を示す特性図。 実施例１における、判定検出値差及びインダクタンスを示す特性図。 実施例１の動作を示すフロー図。 本発明の実施例２において使用する位相計測制御部を示すブロック構成図。 実施例２における、判定検出値差及びインダクタンスを示す特性図。 実施例２の動作を示すフロー図。 従来例における、判定検出値及びインダクタンスを示す特性図。 従来例における、判定検出値及びインダクタンスを示す特性図。 ベクトル制御装置を示すブロック構成図。

符号の説明

１ インバータ
２ ＰＭモータ
３，４ 電流検出部
５ 三相／二相変換部
６ トルク制御部
７ 電流制御部
８ 二相／三相変換部
９ ＰＷＭ制御部
１００，３００ 位相計測制御部
２００ 電流指令設定部

Claims (3)

1. 値が初期値から順次段階的に増加していく電気角位相を出力する位相発生部と、
   指令出力期間と休止期間とが交互に設定されており、指令出力期間ではｄ軸電流指令を出力する電流指令設定部と、
   三相の電圧指令を基に永久磁石式電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータから永久磁石式同期電動機に供給される三相の電流の電流検出値を、前記電気角位相を用いて三相／二相変換してｄ軸電流検出値を出力する三相／二相変換部と、
   前記ｄ軸電流指令と前記ｄ軸電流検出値との偏差を基に、ｑ軸電圧指令及びｄ軸電圧指令を出力する電流制御部と、
   前記電気角位相を用いて前記ｑ軸電圧指令及びｄ軸電圧指令を二相／三相変換して、前記インバータを駆動するための三相の電圧指令を求める二相／三相変換部と、
   前記指令出力期間の終了時点から予め決めた電流検出期間が経過した時点での、前記ｄ軸電流検出値の値である判定検出値を取り込む判定検出値取り込み手段と、
   値の異なる各電気角位相と、値の異なる各電気角位相にした時の各判定検出値とを対にして対照データとして記憶する蓄積部と、
   前記対照データから、判定検出値が最大となる、即ちインダクタンスが最小となる第１の電気角位相を求めると共に、この第１の電気角位相のときの判定検出値を第１ピーク判定検出値とする第１の電気角位相検出部と、
   前記対照データから、判定検出値が２番目に大きくなる、即ちインダクタンスが２番目に小さくなる第２の電気角位相を求めると共に、この第２の電気角位相のときの判定検出値を第２ピーク判定検出値とする第２の電気角位相検出部と、
   第１ピーク判定検出値と第２ピーク判定検出値との差の絶対値が、予め決めた設定値よりも大きいときに、第１の電気角位相を初期磁極位置として出力する初期磁極位置出力手段と、
   を有することを特徴とする永久磁石式同期電動機の初期磁極位置推定装置。
2. 値が初期値から順次段階的に増加していく電気角位相を出力する位相発生部と、
   指令出力期間と休止期間とが交互に設定されており、指令出力期間ではｄ軸電流指令を出力する電流指令設定部と、
   三相の電圧指令を基に永久磁石式電動機を駆動するインバータと、
   前記インバータから永久磁石式同期電動機に供給される三相の電流の電流検出値を、前記電気角位相を用いて三相／二相変換してｄ軸電流検出値を出力する三相／二相変換部と、
   前記ｄ軸電流指令と前記ｄ軸電流検出値との偏差を基に、ｑ軸電圧指令及びｄ軸電圧指令を出力する電流制御部と、
   前記電気角位相を用いて前記ｑ軸電圧指令及びｄ軸電圧指令を二相／三相変換して、前記インバータを駆動するための三相の電圧指令を求める二相／三相変換部と、
   前記指令出力期間の終了時点から予め決めた電流検出期間が経過した時点での、前記ｄ軸電流検出値の値である判定検出値を取り込む判定検出値取り込み手段と、
   値の異なる各電気角位相と、値の異なる各電気角位相にした時の各判定検出値とを対にして対照データとして記憶する蓄積部と、
   前記対照データから、判定検出値が最大となる、即ちインダクタンスが最小となる第１の電気角位相を求めると共に、この第１の電気角位相のときの判定検出値を第１ピーク判定検出値とする第１の電気角位相検出部と、
   第１の電気角位相から１８０°位相がずれた電気角位相を第２の電気角位相とし、前記対照データを参照して第２の電気角位相のときの判定検出値を第２ピーク判定検出値とする第２の電気角位相検出部と、
   第１ピーク判定検出値と第２ピーク判定検出値との差の絶対値が、予め決めた設定値よりも大きいときに、第１の電気角位相を初期磁極位置として出力する初期磁極位置出力手段と、
   を有することを特徴とする永久磁石式同期電動機の初期磁極位置推定装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記初期磁極位置出力手段は、
   第１ピーク判定検出値と第２ピーク判定検出値との差の絶対値が、予め決めた設定値以下であるときには、前記電流指令設定部により設定するｄ軸電流指令の値を増加させ、値を増加させたｄ軸電流指令の下で得た第１ピーク判定検出値と第２ピーク判定検出値との差の絶対値が、予め決めた設定値よりも大きくなったら、このときの第１の電気角位相を初期磁極位置として出力することを特徴とする永久磁石式同期電動機の初期磁極位置推定装置。

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